JP2008288437A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ファラデーシールドによる処理槽壁のダメージの不均一を解消することができ、ダメージの不均一によるパーティクルの発生を抑制する。
【解決手段】プラズマ処理装置であって、プラズマ処理に供される処理槽１０と、処理槽１０内にプラズマ生成のための誘導電界を印加する誘電コイル３１と、誘電コイル３１と対向した処理槽部分が誘電体で構成された処理槽壁１５と、誘電コイル３１と処理槽壁１５との間に移動可能に設置され、一部に開口を有するファラデーシールド４１と、ファラデーシールド４１を移動させる駆動機構とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体のエッチングや薄膜の形成等に使用されるプラズマ処理装置に係わり、特にファラデーシールドを備えたプラズマ処理装置に関する。また、この装置を用いたプラズマ処理方法に関する。

プラズマ処理装置においては、プラズマ処理槽内でのプラズマ発生を促す一つの手段として、プラズマ処理槽内に充満させたガスに電磁波を作用させている。この場合の電磁波発生の代表的手段として、誘電コイルが使用される。

誘電コイルを用いたプラズマ発生の過程において、誘電コイルと対峙する処理槽壁（誘電体壁）の内壁は強い電磁界に晒されることになる。このような強い電磁界は誘電体壁面にダメージを与える。そこで、このダメージを低減するために、誘電コイルと誘電体壁との間にファラデーシールドを配置する方策が採られている。このファラデーシールドは、誘電コイルと対峙する誘電体壁全面を覆うのではなく、その一部分を覆うように設置される。具体的にはファラデーシールドは、誘電体壁の周囲に金属板を一定間隔で配置し、金属板の有る領域（遮蔽部）と金属板の無い領域（開口部）とが交互に配置されるように構成される。何故なら、誘電コイルと対峙する誘電体壁全面を遮蔽部で覆ってしまうと、プラズマ処理槽内に電磁波を導入することができなくなるからである。

ファラデーシールドの効果を説明しているものとして、非特許文献１，２が知られている。本発明に関係するファラデーシールドの効果は、これらの文献を要約すると下記の３効果になる。

効果１：電界のアンテナ軸方向成分を滑らかな分布にする
効果２：アンテナに垂直な電界成分の遮蔽
効果３：静電界成分の遮蔽
効果１より、ファラデーシールドの装備自体が、誘電体壁面のダメージ低減に寄与することが分かる。しかし、効果２，３は、ファラデーシールドの開口部と遮蔽部で差異がある。その差異が、結果的に誘電体壁面の局部的ダメージ発生の原因となり、局部的ダメージが累積すると、最終的に誘電体壁面からのパーティクル発生の要因となる。

このように、従来のプラズマ処理装置においては、誘電体壁と誘電コイルとの間に設けられたファラデーシールドの存在により誘電体壁面に局部的なダメージが発生し、これがパーティクル発生の要因となる問題があった。
IEEE Trans. Plasma Sci. PS-13 (1985) 569 核融合研究、第５８巻第一号（1987年7月）プラズマ波動加熱用アンテナとその電磁界解析、p13-25

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ファラデーシールドによる誘電体壁面のダメージの不均一を解消することができ、ダメージの不均一によるパーティクルの発生を抑制することのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

即ち、本発明の一態様に係わるプラズマ処理装置は、一部が誘電体で形成された誘電体壁を有し、プラズマ処理に供される処理槽と、前記誘電体壁に対向配置して設けられ、前記処理槽内にプラズマ生成のための誘導電界を発生させる誘電コイルと、前記誘電体壁と前記誘電コイルとの間に部分的に開口を有するように設けられ、静電界成分を遮断し電磁界成分を通過させるためのファラデーシールドと、前記ファラデーシールドを移動させる駆動機構と、を具備したことを特徴とする。

また、本発明の別の一態様は、プラズマ処理に供される処理槽の一部で誘電体により形成された誘電体壁と誘電コイルとの間に、部分的に開口を有し静電界成分を遮断すると共に電磁界成分を通過させるためのファラデーシールドを配置したプラズマ処理装置を用い、処理槽内にガスを供給すると共に、誘電コイルにより処理槽内に誘導電界を発生させることによりプラズマを生成するプラズマ処理方法であって、プラズマ処理中に前記ファラデーシールドを移動させるか、又は一定の処理期間経過後に前記ファラデーシールドを移動させることにより、前記誘電体壁に対する前記ファラデーシールドの開口の位置関係を変更することを特徴とする。

本発明によれば、ファラデーシールドを移動させて開口部の位置を変更することにより、ファラデーシールドによる誘電体壁面のダメージの不均一を解消することができ、ダメージの不均一によるパーティクルの発生を抑制することができる。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。この装置は、ファラデーシールドを装備しているシリンダー型ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置である。

図中の１０は金属製の処理槽であり、この処理槽１０内には、被処理基板２０を載置する導電性のステージ２１が設置されている。ステージ２１は処理槽１０の底部に固定された架台１１上に絶縁体２２を介して固定されている。そして、ステージ２１には処理槽１０の外部に設けられたＲＦ電源２４が接続されている。

処理槽１０の上壁部にはガス導入口１２が設けられ、処理槽１０のステージ２１よりも下方側に真空ポンプ引き流路（ガス排気口）１３が設けられている。そして、プラズマエッチングに供されるガスはガス導入口１２から導入され、ガス排気口１３から排気されるようになっている。

処理槽１０の上部は、内径が大きく形成されており、この内径を大きくした部分に、筒状の誘電体壁１５が設けられている。この誘電体壁１５はセラミックや石英等の誘電体から形成されたもので、その内径が処理槽１０の下部内径とほぼ同径となっている。

処理槽１０の上部の内径を大きくした部分には、誘電体壁１５の外周面を囲むように誘電コイル３１が設けられている。この誘電コイル３１は、処理槽１０内にプラズマ生成のための誘導電界を印加するものであり、処理槽１０の外部に設けられたＲＦ電源３２に接続されている。そして、処理槽１０内へのガスの供給と誘電コイル３１による誘導電界の印加により、図中の３４に示す領域にプラズマが発生するものとなっている。

誘電コイル３１と誘電体壁１５との間に、静電界成分を遮断し、電磁界成分を通過させるためのファラデーシールド４１が設けられている。このファラデーシールド４１は、一部に開口を有するものであり、誘電体壁１５の外周面に沿って配置されている。

図２は、誘電体壁１５及びファラデーシールド４１の配置関係を示す斜視図である。円筒状の誘電体壁１５の外周面に沿って、ファラデーシールド４１を成す短冊状の金属板４１ａ（遮蔽部）が周方向に沿って一定間隔で配置されている。金属板４１ａは、高い導電性を有するものであり、例えば銅板の表面に銀をコートしたものである。また、金属板４１ａの長手方向は、円筒状の誘電体壁１５の高さと同じ長さとなっている。

金属板４１ａを一定間隔で配置していることは、誘電体壁１５の周方向に沿って金属板の有る領域（遮蔽部）４１ａと金属板の無い領域（開口部）４１ｂとを交互に配置したことになる。即ち、ファラデーシールド４１は、誘電体壁１５の周方向に沿って遮蔽部４１ａと開口部４１ｂとが交互に配置されたものとなっている。ここで、遮蔽部４１ａの幅（誘電体壁１５の周方向の長さ）と開口部４１ｂの幅は同じでも良いし、異なるようにしても良い。遮蔽部４１ａの幅と開口部４１ｂの幅との大小関係を変えることにより、静電界成分の遮蔽量及び電磁界成分の通過量を調整することができる。

ファラデーシールド４１の底部、即ち短冊状に配置された各金属板４１ａの底部は、リング状のファラデーシールドベース４２に連結されている。ファラデーシールドベース４２は、図示しないモータやアクチュエータにより旋回可能となっており、ファラデーシールドベース４２の旋回によりファラデーシールド４１も旋回可能となる。そして、ファラデーシールドベース４２を旋回させることにより、ファラデーシールド４１の遮蔽部４１ａと開口部４１ｂとの配置を変更できるようになっている。

次に、本装置を用いたプラズマ処理方法について説明する。最初に、ＩＣＰエッチング装置によるプラズマ処理の基本プロセスについて説明する。

まず、ガス導入口１２から処理槽１０内にプラズマエッチングに供されるガスを導入し、プラズマ発生領域３４にガスを充満させる。そして、真空ポンプ引き流路１３の断面積を制御することにより、プラズマが発生する領域３４の圧力を制御する。

次いで、ＲＦ電源２４，３２よりＲＦパワーを出力して、処理槽１０内でプラズマを発生させる。そのプラズマにより、ステージ２１上の被処理基板２０はエッチングされる。このようにして、ＩＣＰエッチング装置においてプラズマ処理が行われる。

次に、本実施形態の特徴であるファラデーシールド４１の配置関係及び動作について説明する。

図３（ａ）（ｂ）は、前記図２で示されるファラデーシールド４１を上面より見た平面断面図である。図３（ａ）（ｂ）においてファラデーシールド４１は、円筒状の誘電体壁１５の中心軸周りに旋回運動をしている。図３（ａ）を基準とした場合、図３（ｂ）においてファラデーシールド４１は１５度旋回運動をしている。その結果、図３（ａ）での開口領域Ａは図３（ｂ）での開口領域Ｂとなり、図３（ａ）において開口であった領域は、図３（ｂ）においては遮蔽領域になる。このようにファラデーシールドベース４２を旋回させると、ファラデーシールド４１の遮蔽部４１ａと開口部４１ｂの配置をずらすことができる。その結果、誘電体壁１５に累積されるダメージの不均一を解消することができ、ダメージの不均一によるパーティクル発生を防止することができる。

より具体的には、誘電体壁１５に対するファラデーシールド４１の開口部４１ｂの配置関係を変更することにより、開口部４１ｂに対峙する誘電体壁１５のダメージと遮蔽部４１ａに対峙する誘電体壁１５のダメージの差を制御することが可能になる。実際には、ダメージ差が基準に到達した場合、開口部４１ｂと遮蔽部４１ａの位置を逆にすれば、ダメージ差は次第に減少する。つまり、ファラデーシールド４１の開口部４１ｂの配置を変更することが、ファラデーシールド４１の問題点であった誘電体壁１５の局部的ダメージ発生防止に有効なことが分かる。

なお、ファラデーシールド４１の回転操作は、プラズマ処理と同時に行うようにしても良いし、プラズマ処理の一定期間の経過後に行うようにしても良い。同時に行う場合は、プラズマ処理中に極めて遅い速度（例えば、１回転／時間）で回転させるようにすればよい。定期的に行う場合は、例えばプラズマ処理を行う処理槽に対して所望するパーティクル数とプラズマ処理累積時間との関係を取得しておき、この関係から開口部の配置を変更する時期を決定すればよい。要は、ファラデーシールド４１の開口による局所的なダメージが蓄積されずに均一化されるようにすればよい。

このように本実施形態によれば、プラズマ処理の一定期間の経過後、又は処理中にファラデーシールド４１を旋回させることにより、累積される誘電体壁１５のダメージの不均一を解消することができ、ダメージの不均一によるパーティクル発生を防止することができる。従って、ダメージの不均一の解消及びダメージ量の制御によりパーティクル発生を防止することができる。これは、プラズマ処理の信頼性向上に繋がり、極めて有効な効果である。

（第２の実施形態）
図４（ａ）（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係わるプラズマ処理装置を説明するためのもので、ファラデーシールドを上面より見た平面断面図である。なお、図３と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態も、第１の実施形態と同様にシリンダー型ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置であり、基本的な装置構成は第１の実施形態とほぼ同様である。相違点は、下記の３点である。

(1) ファラデーシールドが同心円状に多段配置されている（本例では２段）。

(2) それぞれのファラデーシールドベースは独立に旋回できる。

(3) ファラデーシールドとファラデーシールドベースとの位置関係を変更することができる。

本実施形態は、上記(3) の機能を用いてファラデーシールドの開口度を制御した例である。誘電体壁１５の外周面を囲むように、２段のファラデーシールド５１，５２が設けられている。内側のファラデーシールド５１は、誘電体壁１５の周方向に沿って一定周期で短冊状の金属板（遮蔽部）５１ａを配置したものである。但し、第１の実施形態とは異なり二種の開口部を有し、小さい開口部と大きい開口部が一つおきに配置されたものとなっている。外側のファラデーシールド５２は、誘電体壁１５の周方向に沿って一定周期で短冊状の金属板５２ａを配置したもので、開口部の大きさはファラデーシールド５１の大きい方の開口部と全て同じであり、配置周期は内側のファラデーシールド５１の２倍となっている。

なお、ファラデーシールド５１，５２は共に図示しないファラデーシールドベースに連結されており、ファラデーシールドベースの回転により回転するものとなっている。また、各々のファラデーシールド５１，５２はファラデーシールドベースに対する位置関係を独立に変更できるようになっている。

図４（ａ）に示すように、初期状態では、内側のファラデーシールド５１の大きい方の開口部と外側のファラデーシールド５２の開口部とが重なるものとする。このとき、内側のファラデーシールド５１の大きい方の開口部を図３（ａ）のファラデーシールド４１の開口部４１ｂと同じ大きさにしておけば、初期状態の開口度は図３（ａ）と同じである。従って、この状態でファラデーシールドベースの駆動によりファラデーシールド５１，５２の両方を同じ方向に旋回させることにより、第１の実施形態と同様に誘電体壁１５に対する開口部の配置関係を変更することができる。

次に、上記(3) の機能を用いて、図４（ｂ）に示すように、外側のファラデーシールド５２を円周方向に回転させ、内側のファラデーシールド５１の小さい方の開口部と外側のファラデーシールド５２の開口部が重なるようにした。これにより、図４（ａ）では例えば３３％だった開口度を１１％まで減少させることができる。そして、この状態でファラデーシールドベースの駆動によりファラデーシールド５１，５２の両方を同じ方向に旋回させることにより、第１の実施形態と同様に誘電体壁１５に対する開口部の配置関係を変更することができ、しかも小さい開口度の状態を保持することができる。

このように本実施形態によれば、ファラデーシールドを２段に設けることにより、２つのファラデーシールド５１，５２の重なりにより決まる開口部の大きさを変えることができる。従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、ファラデーシールドの開口度で決まる静電界成分の遮蔽量及び電磁界成分の通過量を任意に調整することができる。これは、処理槽１０内に加えられる電磁界の強さと誘電体壁１５へのダメージとの兼ね合いで最適なファラデーシールド開口度を選択できることを意味する。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、誘電コイル３１を処理槽１０の側壁周面ではなく、処理槽１０の上方に配置したことにある。

処理槽１０の上壁部は円板状の誘電体壁１７で形成され、この誘電体壁１７の上方に誘電コイル３１が設置されている。誘電コイル３１と誘電体壁１７との間に、ファラデーシールド６１が移動可能に設けられている。このファラデーシールド６１は、図６に示すように、扇型の金属板（遮蔽部）６１ａを放射状に一定間隔で配置したものである。即ち、ファラデーシールド６１は、円周方向に沿って遮蔽部６１ａと開口部６１ｂとが交互に配置されたものとなっている。

ファラデーシールド６１の外周部、即ち各金属板６１ａ外周面はリング状のファラデーシールドベース６２に連結されている。ファラデーシールドベース６２は、図示しないモータやアクチュエータにより旋回可能となっている。従って、ファラデーシールドベース６２の旋回によりファラデーシールド６１も旋回され、ファラデーシールド６１の開口部の位置が変えられるようになっている。

このような構成であっても、プラズマ処理の一定期間の経過後又は処理中に、ファラデーシールドベース６２の旋回によりファラデーシールド６１を旋回させることによって、累積される誘電体壁１７のダメージの不均一を解消することができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、複数の短冊状の金属板でファラデーシールドを構成し、遮蔽部と開口部が交互に配置されるようにしたが、これに限らず円筒状の金属板に一定間隔で開口を設けたものであっても良い。さらに、ファラデーシールドの材料や開口数などは、仕様に応じて適宜変更可能である。また、ファラデーシールドの駆動機構は、モータやアクチュエータに限るものではなく、油圧や空気圧によって駆動するものであっても良い。

また、実施形態では、エッチング装置として説明したが、導入するガスを代えることにより膜形成装置として使用することも可能である。更には、エッチングや膜形成に限るものではなく、各種のプラズマ処理に適用することが可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

第１の実施形態に係わるプラズマ処理装置を示す概略構成図。 第１の実施形態におけるファラデーシールドの設置例を示す斜視図。 第１の実施形態に係わるプラズマ処理装置を説明するためのもので、ファラデーシールドを上面より見た平面断面図。 第２の実施形態に係わるプラズマ処理装置を説明するためのもので、ファラデーシールドを上面より見た平面断面図。 第３の実施形態に係わるプラズマ処理装置を示す概略構成図。 第３の実施形態におけるファラデーシールドの設置例を示す平面図。

符号の説明

１０…処理槽
１１…架台
１２…ガス導入口
１３…ガス排気口
１５，１７…誘電体壁（処理槽壁）
２０…被処理基板
２１…ステージ
２２…絶縁体
２４，３２…ＲＦ電源
３１…誘電コイル
３４…プラズマ生成領域
４１，５１，５２，６１…ファラデーシールド
４１ａ，５１ａ，５２ａ，６１ａ…金属板（遮蔽部）
４１ｂ，５１ｂ，５２ｂ，６１ｂ…開口部
４２，６２…ファラデーシールドベース

Claims (5)

1. 一部が誘電体で形成された誘電体壁を有し、プラズマ処理に供される処理槽と、
   前記誘電体壁に対向配置して設けられ、前記処理槽内にプラズマ生成のための誘導電界を発生させる誘電コイルと、
   前記誘電体壁と前記誘電コイルとの間に部分的に開口を有するように設けられ、静電界成分を遮断し電磁界成分を通過させるためのファラデーシールドと、
   前記ファラデーシールドを移動させる駆動機構と、
   を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記誘電体壁は円筒状に形成され、前記ファラデーシールドは前記誘電体壁の外周面を覆うように配置され、前記ファラデーシールドの開口は前記誘電体壁の周方向に沿って周期的に設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記駆動機構は、前記ファラデーシールドを前記誘電体壁の外周面に沿って旋回運動又は反復運動させるものであることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記ファラデーシールドは複数段に重ねて配置され、各々の段が独立に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置。
5. プラズマ処理に供される処理槽の一部で誘電体により形成された誘電体壁と誘電コイルとの間に、部分的に開口を有し静電界成分を遮断すると共に電磁界成分を通過させるためのファラデーシールドを配置したプラズマ処理装置を用い、処理槽内にガスを供給すると共に、誘電コイルにより処理槽内に誘導電界を発生させることによりプラズマを生成するプラズマ処理方法であって、
   プラズマ処理中に前記ファラデーシールドを移動させるか、又は一定の処理期間経過後に前記ファラデーシールドを移動させることにより、前記誘電体壁に対する前記ファラデーシールドの開口の位置関係を変更することを特徴とするプラズマ処理方法。

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